استقرارية الصواريخ

بسم الله الرحمن الرحيم

 السلام عليكم و رحمة الله و بركاته,

استقرارية الصاروخ Rocket Stability

استقرارية الصاروخ تعرف بأنها ميل الصاروخ نحو البقاء على حالته الأصلية قبل حدوث اضطراب أو تغيير في موضع الصاروخ...
أي عندما يسير الصاروخ في مسار معين و يقابل رياح فإن الرياح قد تغير من مساره و تؤثر على الوضع الحالي للصاروخ , و الصاروخ المستقر يعيد نفسه إلى المسار الأصلي سواء دون تدخل خارجي أو مع تدخل خارجي... 
و يكون الصاروخ في حالة اتزان في مساره إذا كان مجموع العزوم

حول مركز الثقل يساوي صفرا.. و حول المحور الطولي يؤثر الوزن و الرفع و كلا القوتين يجب أن يكون العزم الناتج منهما على ذلك المحور يساوي صفرا... الرفع نقطة تأثيره تسمى بمركز الضغط.. و الوزن يؤثر على مركز الثقل...
و الصاروخ يكون متزنا حول المحور الطولي عندما يكون مركز الثقل هو نفسه مركز الضغط و بذلك تكون محصلة العزوم حوله صفرا و يطلق على الصاروخ في هذه الحالة أنه: Trimmed
عند تصميم صاروخ يصمم باهتمام و حرص على أن يكون مركز الضغط للصاروخ خلف مركز الثقل... لأنه في حالة تخيلنا أن الصاروخ يسير في مسار مستقيم و أتت رياح زادت قيمة زاوية الهجوم, فإننا في هذه الحالة سنرغب في عزم يعيد لنا الصاروخ إلى حالته الأولى أي Pitch down moment
و هذا ينتج في حالة كان الرفع يؤثر على منطقة خلف مركز الثقل, أي مركز الضغط يجب أن يكون خلف مركز الثقل...
أما في حالة كان مركز الضغط أمام مركز الثقل فإنه سيتكون لدينا Pitch up moment
و ستزيد زاوية الهجوم للصاروخ و يفقد الاتزان .. و الصاروخ في هذه الحالة ليس مستقرا

هذه تسمى بالاستقرارية الساكنة (الاستاتيكية) حول المحور الطولي..

المسافة بين مركز الضغط و مركز الثقل تسمى بهامش الاستقرارية الساكنة

Static Margin
و هو يبين لنا مدى استقرارية الصاروخ.. كلما زادت هذه المسافة زادت استقرارية الصاروخ لكن كان من الأصعب التحكم بها و تقل استجابته لأسطح التحكم.. لذلك عند التصميم يجب عمل موازنة بين الاستقرارية و الاستجابة لإشارات التحكم...

التحكم في هامش الاستقرارية:
موقع مركز الضغط يعتمد على تصميم الصاروخ و مكان الأجنحة و الزعانف الخلفية.. فكلما حركنا الجناح للخلف و زدنا مساحة الزعانف تحرك مركز الضغط للخلف و كان الصاروخ أكثر استقرارا,...
و يمكن أيضا تحسين الاستقرارية بتركيز الحمل في بداية الصاروخ و لذلك لو لاحظنا في معظم الصواريخ يكون الحمل في النصف الأول و الزعانف في الذيل مع نظام الدفع..

و هناك إضافة إلى ما ذكر مواضيع أخرى للاستقرارية الساكنة, فالصاروخ في أغلب الأحيان يجب أن يكون مستقرا حول المحاور الثلاثة و في الفقرات السابقة تعاملنا مع المحور الطولي فقط و هذا لأنه أهم محور و الاستقرارية حوله متعلقة بتغير زاوية الهجوم و زاوية مسار الطيران, و لكن كما تعلمون فالمدونة لن تتسع لكل هذه المعلومات.



الاستقرارية الديناميكية

كل ما ذكرناه سابقا بتعلق بما يسمى الاستقرارية الاستاتيكية أو الساكنة Static Stability, و النوع الآخر من الاستقرارية هو الاستقرارية الديناميكية Dynamic Stability, و هي تعرف أنها دراسة حركة المركبة الطائرة بعد تعرضها لأي اضطراب Disturbance, سواءا كان من الرياح أو إشارة من سطح تحكم أو غيرها.


نقصد بالاضطراب تغير مفاجئ في أي عامل قد يؤثر على مسار الطيران, مثلا رياح مفاجئة تتجه لأعلى, ستؤثر في الطيران بشكل كبير لأنها ستغير من زاوية هجوم المركبة الطائرة ستتغير و تتغير القوى الإيروديناميكية المؤثرة على الطائرة, مما يغير المسار.
و نحن نريد أن نتأكد أن المركبة  ستعود إلى مسارها الأصلي الذي كانت تسير فيه بدون تدخل منا و نريد أن نعرف الزمن الذي ستحتاجه لذلك و ما هي التعديلات التي سنحتاج إليها لتحسين الاستقرارية.
و مواضيع الاستقرارية الديناميكية أصعب بكثير من الاستقرارية الاستاتيكية لأنها تعتمد على حل معادلات الحركة للصاروخ Equations of Motion, لذلك في أغلب الأحيان يتم افتراض بعض الفرضيات لتسهيل الحصول على الحل و الحصول على الاستجابة الديناميكية Dynamic Response و تبيين أن الصاروخ مستقر أم لا.

في بعض الحلات قد يصمم الصاروخ أو المركبة الطائرة بحيث تكون غير مستقرة لكن يتم التعويض عن هذا بإضافة نظام تحكم يعيد المركبة إلى المسار الأصلي و يسمى Stability augmentation System , و الصميم باستقرارية قليلة يحسن من خصائص الاستجابة لإشارات التحكم.


كتب في المجال
Flight Stability and Automatic Control
Flight Dynamics Principles
Dynamics of Atmospheric Flight

و في مجال الصواريخ هناك باب في كتاب
Missile Configuration Design 
يتحدث عن الاستقرارية بنوعيها

المصادر:
NASA- Rocket Stability
Rocket Stability Condtion-NASA